Помоги проекту - поделись книгой:
А теперь представим себе, что наш корабль состоит сплошь из дыр, так что вода свободно проходит сквозь него без всякого взаимодействия с корпусом. В этом случае равномерное движение корабля не сопровождается деформацией водной среды и трение будет отсутствовать. Именно такая ситуация имеет место в случае вакуума. Физический вакуум отличается от материальных сред тем, что он деформируется лишь неравномерным движением материального тела (точнее, неравномерным движением поля, порождаемого данным телом), в то время как обычные среды деформируются любым движением.
Когда мы заставляем тело двигаться ускоренно, мы тем самым деформируем структуру вакуума. В качестве ответной реакции вакуум порождает силы инерции, стремящиеся нейтрализовать источник деформации. Для преодоления сопротивления вакуума мы должны затратить определенную энергию и произвести работу над ним. Таким образом, при ускоренном движении любого материального тела мы увеличиваем энергию вакуума. Например, когда мы сидим в автомобиле и давим на педаль газа, мы начинаем двигаться ускоренно, и тем самым деформируем структуру вакуума. В ответ он создает силы инерции, стремящиеся остановить сам автомобиль и все, что в нем находится, чтобы исключить любую деформацию, и нас по инерции отбрасывает назад. Для преодоления сопротивления вакуума и трения колес о землю нужно тратить много энергии, что проявляется в повышенном расходе топлива. Дальнейшее равномерное движение не влияет на вакуум и он в ответ не создает сил сопротивления. Поэтому остается только трение колес о землю, которое намного меньше. Вот почему для равномерного движения автомобиля требуется намного меньше топлива, чем на его разгон.
При замедленном движении мы убираем из вакуума ту деформацию, которую внесли в него раньше на стадии ускоренного движения. Как следствие, вакуум отдает часть своей энергии. Но вследствие того, что сам вакуум содержит огромное количество первичной энергии, не связанной с нашей работой над ним, он может отдать больше энергии, чем получил на стадии ускоренного движения тела. Вот откуда получается тот избыток энергии, который был получен учеными при столкновении железной болванки с металлической плитой: при ускорении снаряда в стволе пушки мы совершаем работу над окружающим нас физическим вакуумом и сообщаем ему некоторую энергию, а при последующем соударении снаряда с мишенью из вакуума выделяется та энергия, которую мы в него внесли, плюс некоторый добавок, зависящий от условий торможения.
При замедленном движении тела силы инерции также возникают, т. к. в вакуум вносится новая деформация: деформация той деформации, которая была внесена в него на стадии ускорения. Снова можно привести пример с автомобилем. Когда мы давим на тормоз, нас по инерции бросает вперед. Так происходит по той причине, что при торможении мы движемся замедленно, то есть снова деформируем вакуум. И он в ответ создает силы инерции, которые тянут нас вперед, чтобы оставить в состоянии равномерного прямолинейного движения и тем самым исключить новую деформацию. Но теперь уже не мы совершаем работу над вакуумом, а он над нами. Вакуум отдает нам свою энергию, которая выделяется в виде тепла в тормозных колодках автомобиля. Такое ускоренно-равномерно-замедленное движение является не чем иным, как единичным тактом колебания огромной амплитуды и низкой частоты.
Движение по окружности также деформирует физвакуум. Хотя численное значение скорости при таком движении может не меняться, зато постоянно меняется положение вектора скорости в пространстве. Поэтому круговое движение (в более общем случае любое движение по изогнутой кривой) деформирует вакуум и, как результат, вакуум порождает реакцию в форме центробежной силы, которая стремится выпрямить траекторию движения и сделать ее прямолинейной, чтобы исключить деформацию. Для того, чтобы преодолевать сопротивление вакуума и продолжать его деформировать, необходимо снова тратить энергию. Вследствие третьего закона механики не только вакуум действует на вращающийся предмет центробежной силой, но и предмет действует на вакуум центростремительной силой. Под действием центростремительных сил вакуум втягивается во вращающийся предмет, движется в нем от периферии к оси вращения, здесь отдельные потоки вакуума сталкиваются между собой, разворачиваются на 90 градусов (разворачиваются по той же причине, почему развернутся две столкнувшиеся водяные струи) и вылетают наружу вдоль оси вращения в разные стороны. Это и есть то, что в альтернативной науке сегодня называют торсионными полями или излучениями. А я предпочитаю называть это потоками вакуума.
Теперь можно предложить решение многих отмеченных ранее энергетических парадоксов. Та энергия, которая выделяется в электрической лампочке, печах аэродинамического нагрева, конструкциях моста при его разрушении марширующими солдатами и многих других процессах, выделяется из физического вакуума.
Во всех перечисленных феноменах мы имеем дело с колебаниями, даже если колебания на первый взгляд отсутствуют. Любое колебание — это всегда неравномерное движение, точнее ускоренно-замедленное. В ходе фазы ускоренного движения мы вносим в вакуум некоторую энергию. В ходе фазы замедленного движения он отдает энергию обратно и может отдать ее гораздо больше, т. к. изначально имеет огромное количество энергии. Насколько больше — зависит от величины деформации: чем больше деформация, тем больше выброс энергии из вакуума.
Например, в печах аэродинамического нагрева воздух вначале ускоряется пропеллером и на этой стадии мы вносим в вакуум некоторую энергию. Затем воздух отбрасывается пропеллером на стенки камеры и здесь он движется, если можно так выразиться, дважды неравномерно: во-первых, падает его скорость, во-вторых, постоянно меняется вектор скорости. Как следствие, вакуум отдает очень много энергии. В данном случае колебание происходит на макроуровне и характеризуется низкой частотой и большой амплитудой, поэтому оно не воспринимается как собственно колебание.
В случае с электрической лампочкой надо обратить внимание на тот факт, что в цепи обязательно должен присутствовать электрогенератор, без которого никакой ток по проводам не пойдет. Даже если лампочка горит от батареи, эта батарея все равно заряжалась от генератора. Когда мы сжигаем горючее вещество (уголь, нефть или газ на электростанции), тепловая энергия данного вещества преобразуется не в энергию электрического тока, а в энергию вакуума. Ротор электрогенератора при вращении создает центробежную силу, следовательно, он деформирует физвакуум и совершает над ним работу. Эта работа производится за счет тепловой энергии сгораемого вещества. Затем, когда электроны входят в электрическую лампочку, они заставляют атомы вещества нити накаливания колебаться более интенсивно, чем обычно (примерно также, как колеблются конструкции моста при марширующем шаге солдатской колонны), и в результате этого из вакуума выделяется энергия, заставляющая нить накаливания светиться. Так как и свет и физвакуум являются разновидностями материи, тогда исчезает противоречие появления одной формы материи из пустоты. В этом примере энергия электрического тока служит в качестве инструмента для высвобождения вакуумной энергии, но сама она в лампочке и других электроприборах не расходуется.
Однако инструмент можно заменить. И однажды это сделал знаменитый физик Никола Тесла в его эксперименте передачи электрической энергии по одному проводу (а в наше время этот опыт повторил некто Авраменко). Схема установки Николы Тесла была такова: трансформатор тока первичной обмоткой подключался к источнику питания, один конец его вторичной обмотки просто болтался в воздухе, а второй конец тянулся в соседнее помещение, где к нему подсоединяли мостик из четырех диодов с лампой посередине. И при включении источника питания лампа загоралась. Но ведь в соседнее помешение тянулся всего один провод, а второго провода как такового не существовало. К тому же, как отмечалось не один раз в описаниях этого опыта, провод совершенно не нагревался. Его можно было делать из металлов самой низкой проводимости и сверхмалого диаметра, но провод всегда оставался холодным. Поэтому иногда можно услышать из уст поклонников сербского гения, будто в данном эксперименте впервые была получена сверхпроводимость при комнатной температуре. Теперь наше объяснение этому феномену.
Трансформатор тока в данном эксперименте создавал внутри провода резко колеблющееся электрическое поле. И оно заставляло электроны диодного мостика также колебаться. А так как электроны могут идти через диоды только в одном направлении, в мостике возникал электрический ток и лампа загоралась. Энергия для свечения лампы поступала из физического вакуума, как и в случае любой электрической лампы. А по проводу никакая энергия в соседнее помещение не поступала. По этой причине провод всегда оставался холодным: невозможно нагреть предмет, если к нему не подводить энергию. Поэтому выражение «передача энергии по одному проводу» применительно к данному эксперименту мне кажется крайне неудачным.
Надо сказать, что если предположение об ошибочности потенциальной и кинетической энергии соответствует факту, тогда при решении задач на преобразование потенциальной энергии в кинетическую и обратно должны появляться всякие нелепости в форме нарушения закона сохранения энергии, закона сохранения импульса и т. д. Анализ показал, что это действительно так. Чаще всего такие нелепости возникают в предельных случаях (при нулевой или бесконечной массе, при нулевой или бесконечной скорости и т. д.). Поэтому если взять какую-нибудь задачу на преобразование потенциальной энергии в кинетическую и рассмотреть все ее мыслимые варианты и частные случаи, могут быть найдены нелепости в форме нарушения законов сохранения.
Для примера рассмотрим простенькую задачку о скатывании санок с горы. Когда санки находятся на горе, они имеют потенциальную энергию E = mgh. Скатившись вниз, они будут иметь кинетическую энергию E = mv;/2. А теперь перейдем в систему отсчета, которая движется относительно горы со скоростью v и в том же направлении, куда покатятся санки. В этой новой системе отсчета находящиеся на горе санки движутся в обратном направлении со скоростью -v, следовательно они обладают кинетической энергией E = mv;/2 (положительной энергией, а не отрицательной, т. к. скорость входит в формулу энергии в квадрате). И при этом они имеют потенциальную энергию E = mgh, как и раньше. Значит, суммарная энергия санок на вершине горы будет E = mgh + mv;/2. Но когда санки оказываются внизу под горой, их энергия равна нулю. Тогда куда девается энергия санок в новой системе отсчета?
Эту задачу я взял из школьного учебника физики. Составители учебника стараются выпутаться из нелепой ситуации следующим образом. Они заявляют, что более правильным будет решать задачу не в системе отсчета, связанной с горой или движущимися санками, а в системе отсчета общего центра масс, поскольку не только Земля притягивает к себе санки, но и санки притягивают к себе Землю и заставляют ее двигаться, пусть даже с микроскопически малой скоростью. И, мол, если в первом случае еще можно получить математически правильный результат, то во втором это оказывается уже невозможным. Если же оставаться в системе общего центра масс, тогда все проблемы исчезают. Я полностью согласен с авторами учебника физики насчет того, что более правильным подходом будет решение в системе общего центра масс. А вот со всем остальным не согласен.
Когда мы решаем задачу, находясь в системе отсчета горы, это равносильно допущению бесконечной массы Земли. Конечно, в реальности такого не будет, но мы же можем задать любые начальные условия. То есть вначале мы делаем (молчаливо) допущение о бесконечно огромной массе Земли и потому у нас появляется возможность рассматривать преобразование энергии только для санок, не впутывая в это дело саму планету. Однако, когда мы переходим в новую систему отсчета, все ранее сделанные допущения и предположения надо сохранить, иначе мы будем иметь другую задачу с новыми начальными условиями. А в этой иной системе отсчета мы получаем явно неверный результат. И получаем его как раз в предельном случае бесконечно огромной массы. Но если мы заменим в формулах скорость v на изменение скорости ;v, а высоту h на изменение высоты ;h, тогда во всех случаях и во всех системах отсчета мы будем иметь одинаковый результат.
1.4 Энергия гравитационного поля
(гравитационная энергия)
Для вычисления энергии гравитационного поля выполним следующий мысленный опыт. Разделим все вещество некоторого космического тела на ряд сферических оболочек и будем каждую оболочку удалять в бесконечность. При удалении одной оболочки совершается работа
(1.4.1)
где m=4;r;;;r – масса оболочки, M=4;r;;i/3 – масса остатка, r — текущий радиус, ;i – средняя плотность остатка. Изменение плотности по глубине можно представить как
(1.4.2)
где ;0 — плотность в центре, R – радиус объекта, n — показатель степени. Когда n;;, ;/;0;1, то есть плотность одинакова во всех точках небесного тела (случай мелких космических тел и астероидов). При n=1 плотность линейно меняется по глубине от нуля на поверхности до ;0 в центре (случай крупных космических тел, звезд и планет). При n=0 почти все вещество собрано в центре, а на поверхности его количество исключительно мало (случай гигантских газовых туманностей с массой в миллионы раз больше солнечной).
Чтобы определить среднюю плотность ;i, рассчитаем массу М путем интегрирования всех сферических оболочек
(1.4.3)
Вследствие того, что M = 4;r;;i/3, мы получаем
(1.4.4)
Подстановка масс и плотностей в формулу (1.4.1) и ее интегрирование от r=0 до r=R дает
(1.4.5)
где ; = 0.6(n+3)(2n+11)/(n+5)/(2n+5) – численный фактор, определяющий распределение вещества внутри космического объекта. Минимальное значение ;=0.6 и минимальная работа имеют место для n;;. При n=1 фактор ; =0.743. Максимальное значение ;=0.792 наблюдается для n;0, то есть для случая гигантских газовых туманностей.
Зададимся вопросом: во что преобразуется работа, вычисляемая по формуле (1.4.5)? Ответ будет следующим: эта работа тратится на уничтожение гравитационного поля космического объекта. Когда мы разделяем объект на ряд сферических оболочек и удаляем каждую из них в бесконечность, мы фактически уничтожаем объект, то есть уничтожаем его гравитационное поле. Так как поле обладает энергией Е, мы должны для его уничтожения затратить работу, равную сумме гравитационной и кинетической энергий всех оболочек на бесконечно большом удалении. Когда кинетическая энергия равна нулю, вычисляемая по формуле (1.4.5) работа даст энергию гравитационного поля
(1.4.6)
Для расчета плотности гравитационной энергии (содержание энергии в единице объема) выполним другой мысленный эксперимент. Будем уменьшать среднюю плотность вещества космического объекта от ;1 до ;2 при его постоянной массе. В этом случае радиус тела меняется от R1 до R2.. Разность гравитационных энергий
(1.4.7)
дает величину гравитационной энергии внутри тонкого слоя толщиной ;R между двумя сферами с радиусами R1 и R2.. Разделив эту разность на объем слоя, мы будем иметь плотность гравитационной энергии
(1.4.8)
Хотя настоящая формула получена для слоя пространства, прилегающего к поверхности объекта, она продолжает оставаться в силе для любой другой точки пространства. Единственное отличие будет заключаться в том, что вместо радиуса R надо будет использовать расстояние Н от центра объекта до интересующей точки. Учитывая, что ускорение свободного падения в данной точке рассчитывается как g = ;M/H;, мы получаем связь между ускорением свободного падения и плотностью энергии гравитационного поля
(1.4.9)
Полученная формула справедлива для самого общего случая произвольного количества космических объектов, в то время как предыдущая формула (1.4.8) справедлива только для одного космического тела, когда гравитационное поле является сферически симметричным и всякая его деформация отсутствует. Величина g в формуле (1.4.9) является векторной суммой всех ускорений свободного падения, создаваемых отдельными полями.
Все формулы получены для случая нулевой плотности вещества на поверхности объекта. В общем случае ;S ;0 формулы сохраняют свою форму, меняется только фактор ;.
Для Земли ;S = 2200 кг/м;, ;0 = 17000 кг/м;, М = 5.97;10(24) кг, R = 6.38;10(6) м, а плотность вещества с глубиной меняется по закону, близкому к линейному, поэтому n=1. Тогда ; = 0.671, EG = 2.5;10(32) дж, ;G = 0.786;10(11)дж/м;. Для сравнения энергетический эквивалент всех известных месторождений углеводородного топлива оценивается величиной порядка 10(22) дж. Ясно, что преобразование гравитационной энергии в электричество и тепло может успешно решить все наши топливные и энергетические проблемы.
Вернемся ненадолго к потенциальной энергии. Рассмотрим преобразование потенциальной энергии ;Mm/H в кинетическую mv;/2 в ходе взаимного сближения двух космических тел (до окончательного решения проблемы кинетической энергии будем использовать это традиционное, хотя и неверное, понятие). По мере сближения скорость v и кинетическая энергия mv;/2 растут. Также растет комплекс ;Mm/H, т. к. уменьшается расстояние между телами. То есть растут одновременно и потенциальная, и кинетическая энергии. Чтобы избегнуть противоречия, обычно приписывают данному комплексу знак минус: на бесконечно большом удалении Н=; потенциальная энергия равна нулю, а по мере уменьшения расстояния она становится отрицательной и увеличивается в отрицательную область. Но если исходить из классического определения энергии как возможности совершения работы, тогда мы получаем отрицательную возможность. Возможность вообще может быть отрицательной? Подобная ситуация закономерна: если идея потенциальной идеи ошибочна, использование ее в наших построениях вынуждает нас постоянно совершать новые ошибки для компенсации последствий ошибок старых.
Чтобы понять, в чем заключается ошибка традиционных представлений применительно к данному процессу, нужно рассмотреть структуру гравитационного поля с помощью силовых линий (примерно как это делается для электрического поля) в ходе сближения двух космических тел, то есть в случае искажения первоначальной сферической симметрии. Когда я это сделал для масс М и m=0.5М, картина оказалась полностью идентичной случаю электрического поля двух зарядов Q и q=0.5Q. Общее гравитационное поле системы М+m складывается из двух частных полей, образованных индивидуальными массами М и m. И между ними располагается особая точка, в которой напряженность общего гравитационного поля равна нулю из-за нейтрализации одного поля другим. В окрестностях этой точки («мертвая» зона) общее поле настолько ослаблено, что не дает никакого вклада в общую гравитационную энергию. Ясно, что формулы должны отражать отсутствие такого вклада.
Если имеется всего один объект, энергия его гравполя рассчитывается по формуле (1.4.6). Когда два объекта разнесены так далеко, что их гравитационные поля "не чувствуют" и не деформируют друг друга, энергия общего гравитационного поля определяется простой суммой энергий двух частных полей. Но когда эти объекты сближаются, так что их поля начинают "чувствовать" и деформировать друг друга, обшая гравитационная энергия рассчитывается как
(1.4.10)
где последнее слагаемое ;Mm/H, которое неправильно называют потенциальной энергией, описывает отсутствие энергии в «мертвой» зоне. Чем меньше расстояние Н между объектами, тем больше смещение «мертвой» зоны в область сильных полей, тем сильнее она ослабляет поля и уменьшает общую гравитационную энергию. Это уменьшение гравитационной энергии преобразуется в кинетическую энергию сближающихся тел. Таким образом, академическая позиция правильно объясняет увеличение кинетической энергии двух сближающихся тел за счет уменьшения отрицательного комплекса -;Mm/H с чисто математической точки зрения, но дает неверную физическую трактовку этого процесса. Данный комплекс является не потенциальной энергией, а уменьшением энергии гравполя вследствие его деформации. И тут мы снова сталкиваемся со связью энергия-деформация.
Теперь можно объяснить более правильно, что происходит в ходе подъема любого материального тела в гравитационном поле. Когда предмет лежит на поверхности Земли, он своим гравитационным полем деформирует гравитационное поле планеты таким образом, что общая гравитационная энергия двух деформированных полей оказывается на величину ;Mm/H меньше случая недеформированного поля. Поднимая предмет вверх, мы переносим его в область меньшей напряженности земного поля. Следовательно, деформация обоих полей уменьшается, а суммарная гравитационная энергия полей должна возрасти на величину ;Mm;Н/H; или mgh. Приращение энергии полей обеспечивается выполнением нами работы по подъему предмета. В случае падения все происходит наоборот. Предмет перемещается в область большей напряженности земного гравполя, деформация обоих полей растет, а суммарная гравитационная энергия снижается. Уходящая из поля энергия переходит в энергию физического вакуума, т. к. предмет под действием гравитации движется ускоренно, поэтому он своим собственным гравитационным полем совершает работу над вакуумом, деформирует его структуру и тем самым увеличивает его энергию. А когда падающий предмет ударится о препятствие, энергия физвакуума перейдет в тепло.
1.5. О выполнении работы по замкнутому контуру
в гравитационном поле
В середине 19го века немецкий физик и математик Карл Гаусс сформулировал следующее правило: при перемещении объекта по замкнутому контуру в потенциальном поле суммарная работа равна нулю. Потенциальное поле — это общее название гравитационного и электрического полей. Поэтому сформулированное Гауссом положение нулевой работы должно быть полностью применимо к полю гравитационному. Гаусс в своем выводе использовал идею потенциальной энергии. Но если мы выяснили, что в действительности потенциальной энергии не существует, а вместо нее имеется энергия гравполя, тогда сразу возникает вопрос: насколько правомерным является настоящее положение о нулевой работе?
Обратим внимание на то, что мы считаем контур замкнутым или открытым, исходя из своих человеческих понятий. Но работа выполняется не нами, а гравполем. Следовательно, контур должен быть замкнут с точки зрения поля, а не с точки зрения человека. Однако, никто еще не доказал, что гравполе воспринимает контур аналогично человеку. Поэтому имеет смысл разобрать эту проблему более подробно и выяснить, действительно ли работа по замкнутому контуру в гравитационном поле всегда равна нулю.
Если внимательно проанализировать способ, каким было получено данное правило, то можно заметить, что в его основе лежит одна особенность, которая явно не оговаривается, но молчаливо всегда подразумевается: движение материального тела происходит в пустоте. Лишь в этом случае отсутствуют побочные процессы, которые играют весьма важную роль. Но если движение объекта происходит в некоторой материальной среде, всегда возникают побочные процессы, заключающиеся в движении среды. Допустим, движущееся тело находится в самой низкой точке своей траектории, назовем ее точкой А (рис.1.5.1). В пространстве вокруг этой точки, равной объему тела, среда отсутствует. Поднимем тело в самую верхнюю точку траектории, точку В. Раньше все пространство вокруг точки В было занято окружающей средой, а после того, как здесь оказалось наше тело, среда была им вытеснена из объема, равного объему тела. С другой стороны, объем вокруг точки А, заполненный раньше движущимся телом, теперь оказывается заполненный окружающей средой. Таким образом, подъем тела из точки А в точку В сопровождается автоматическим опусканием точно такого же объема из точки В в точку А. До тех пор, пока плотность среды намного меньше плотности тела, этот процесс практически не сказывается на результатах. Но как только плотности сравняются, результат меняется кардинально.
Гравитационное поле реагирует только на плотность, а не на цвет или форму предмета. Мы можем как-то пометить наше тело, чтобы отличать его от окружающей среды — например, окрасить в яркий цвет — но если плотности тела и окружающей среды одинаковы, гравполе воспримет поднимаемое тело и ту часть окружающей среды, которая опускается из точки В в точку А, как одно и то же тело. То есть образуется настоящий замкнутый контур независимо от высоты подъема. По какой бы сложной и запутанной траектории мы не поднимали наше тело, итог всегда будет один: опускание части среды одинакового с телом объема из самой верхней точки траектории в самую нижнюю с автоматическим образованием замкнутого контура. А по замкнутому контуру работа, как известно, не совершается. Таким образом, при равенстве плотностей тела и окружающей среды нам нет необходимости тратить энергию на подъем тела, т. к. любое перемещение на любую высоту
Рис. 1.5.1. Перемещение тела в гравитационном поле по замкнутому контуру. При перемещении тела из точки А в точку В внутри некоторой среды (сплошная стрелка) происходит автоматическое опускание части среды из точки В в точку А (штрих-пунктирная стрелка). При перемещении этого же тела в пустоте из точки С в точку D никаких побочных процессов не наблюдается.
происходит без затрат энергии. Этот вывод можно получить также путем силового рассмотрения: вследствие того, что выталкивающая сила Архимеда равна силе тяжести объекта, результирующая сила равна нулю и, как следствие, равна нулю работа, совершаемая этой силой.
Теперь после того, как мы подняли наше тело, изменим одну из плотностей таким образом, чтобы тело стало намного тяжелее окружающей среды: можно увеличить плотность самого тела, а можно уменьшить плотность самой среды. Давайте вообще удалим среду и далее будем рассматривать все процессы в пустоте (переносим тело из точки В, находящейся внутри рассмотренной среды, в точку С пустого пространства неизменной высоты). В этом случае падение тела из точки С в точку D, находящуюся на высоте точки А, никакими побочными процессами не сопровождается. При этом вследствие того, что тело движется ускоренно и своим собственным гравполем деформирует структуру физвакуума, суммарная энергия двух гравитационных полей — поля планеты и поля падающего предмета — трансформируются в энергию физического вакуума (раньше сказали бы — потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию падающего предмета). И снова мы можем подтвердить полученный вывод путем силового рассмотрения происходящих процессов: при свободном падении тела в пустоте сила тяжести не компенсируется выталкивающей силой Архимеда, следовательно существует результирующая сила, которая выполняет работу.
Таким образом, мы получили следующий результат: при подъеме тела из нижней точки траектории в верхнюю в среде одинаковой с телом плотности работа не выполняется и энергия не меняется, но дальнейшее падение тела из верхней точки в нижнюю в пустоте сопровожается выполнением работы над физвакуумом и переходом в него части энергии гравполя. И тогда суммарная работа по замкнутому контуру в гравитационном поле оказывается не равной нулю.
Настоящий результат справедлив для самого общего случая переменной плотности. Не обязательно исключать окружающую среду полностью на одном из участков. Достаточно изменить либо плотность тела, либо плотность среды таким образом, чтобы разность плотностей менялась от участка к участку. Но если разность плотностей неизменна, тогда суммарная работа по замкнутому контуру будет равна нулю.
Такая картина получается по причине того, что гравполе воспринимает любой контур совершенно иначе, чем воспринимает его человек. В рассмотренном примере подъема тела в среде одинаковой с ним плотности и дальнейшего падения в пустоте гравитационное поле "замечает" только вторую часть контура. Ту его часть, где среда отсутствует. Первая половина контура полем не замечается из-за того, что оно не в состоянии отличить поднимаемый предмет от окружающей среды, т. к. реагирует только на плотность, а плотности здесь одинаковы. Поэтому такой контур оказывается для поля разомкнутым, хотя нам он будет казаться замкнутым. А по разомкнутому контуру суммарная работа уже не равна нулю.
Ошибка Гаусса с его правилом нулевой работы применительно к гравитационному полю состояла в том, что он рассматривал действие лишь одной силы тяжести, но не рассматривал действие выталкивающей силы Архимеда. До тех пор, пока плотности среды и движущегося в ней предмета не меняются, Архимедова сила вносит одинаковый численно, но разный по знаку вклад на восходящей и нисходящей половинах контура. Поэтому эти вклады взаимно компенсируются и в окончательном итоге их можно не учитывать. Однако, если плотность среды или предмета меняется, Архимедова сила вносит разный вклад на разных участках траектории, которые нейтрализовать друг друга уже не могут и потому должны учитываться.
Покажем это математически. Суммарная работа по замкнутому контуру в гравполе рассчитывается формулой
(1.5.1)
где FP – сила тяжести, FA – выталкивающая сила Архимеда, а сам интеграл является круговым. Так как интеграл суммы равен сумме интегралов, мы можем переписать это выражение в виде суммы двух интегралов от FP и FA . Первая составляющая всегда равна нулю в полном соответствии с правилом Гаусса и потому его можно отбросить. А вторую составляющую мы можем разложить на две части по контуру вверх F1A и по контуру вниз F2A, и тоже представить в виде суммы двух интегралов
(1.5.2)
причем интегралы в данной формуле будут уже полукруговыми. Сила Архимеда всегда направлена вверх, а дифференциал dx может быть направлен как вверх, так и вниз. Поэтому одна составляющая формулы (1.5.2) всегда положительна, а другая всегда отрицательна. И когда Архимедовы силы F1A и F2A равны друг другу, итоговый результат будет равен нулю. Но если они окажутся не равны друг другу, тогда одна составляющая не сможет нейтрализовать другую и суммарная работа по контуру станет отличной от нуля. А сделать их не равными друг другу очень легко, если менять фазовое состояние перемещаемого по контуру предмета: пар на одной части контура, жидкость на другой (или жидкость + твердое тело). Выражаясь самыми общими словами, нужно сделать разными условия выполнения работы на разных участках контура.
Теперь можно дать более правильную обобщенную формулировку настоящего правила: при движении материального объекта по замкнутому контуру в потенциальном поле суммарная работа равна нулю в случае, если условия совершения работы на всех участках контура одинаковы, и не равна нулю, если они меняются. Вследствие того, что гравполе реагирует на плотность, под условиями работы следует понимать разность плотностей тела и среды. То есть нужно сделать так, чтобы на восходящей части контура тело поднималось в форме пара, а на нисходящей части опускалось в форме жидкости (или наоборот). Для электрического поля под условиями работы следует понимать разность зарядов, т. к. электрическое поле реагирует на заряд.
Для иллюстрации выполнения настоящего правила рассмотрим наиболее характерный пример: круговорот воды в природе. Когда Солнце испаряет океанскую воду своим излучением, оно передает воде тепловую энергию Q. Полученный пар поднимается вверх внутри воздушно-паровой оболочки, то есть поднимается в среде одинаковой с ним плотности. Поэтому такой подъем происходит без затрат энергии. Дальнейшая конденсация пара в верхних слоях атмосферы сопровождается выделением того тепла Q, которое было получено им ранее на стадии испарения воды солнечным излучением. Поэтому солнечная энергия уходит из этого процесса на стадии конденсации пара и дальше может не рассматриваться. Образующиеся водяные капли имеют более высокую плотность по сравнению с воздухом, не удерживаются и начинают падать вниз. В ходе падения они деформируют структуру физического вакуума, из-за чего гравитационная энергия нашей планеты частично преобразуется в энергию физвакуума. А дальнейшее соударение капель с земной поверхностью сопровождается выделением вакуумной энергии, которая тратится на эрозию земных пород и переработку их в минеральное удобрение. Формирующиеся водные потоки точно таким же образом деформируют структуру физвакуума, способствуя переходу части энергии гравполя в энергию физвакуума. И затем эта энергия преобразуется гидростанциями в электричество.
1.6. Энергия физического вакуума
(вакуумная или нуль-энергия)
О сушествовании вакуумной энергии прекрасно знали народы далекого прошлого. Сегодня о ней знают народы Востока: в Индии эту энергию называют прана, в Китае — ци, в Японии — ки (а совсем недавно в гитлеровской Германии ее называли вриль). Когда индийский йог или китайский монах делают различные упражнения с поглощением праны или ци, они работают именно с той вакуумной энергией, которая заставляет гореть электрическую лампочку и разрушает мост под сапогами марширующих солдат. Среди народов Запада знание об энергии вакуума сохранилось у экстрасенсов, магов и колдунов, а также у работников цирка (особенно у тех, кто работает в жанре фокуса, иллюзии или жонглирования). Если мы возьмем старое пособие по обучению цирковых артистов исскуству фокуса, написанное в 19м веке или ранее, то найдем там информацию о существовании глобальной энергии, заполняющей пространство Вселенной, и с помощью которой можно творить всевозможные чудеса.
Цирк появился как следствие изгнания жрецов старых дохристианских религий. Когда старая религия сменялась новой или приходили иноземные племена с другими верованиями, жрецы прежних религий вынуждены были бежать и скитаться. И сразу возникала проблема пропитания. Если раньше они могли рассчитывать на жертвоприношения местного населения, то теперь должны были сами зарабатывать на кусок хлеба. Но что они могли делать? Пахать землю, охотиться или рыбачить, изготавливать одежду или посуду они были не обучены. Но владея искусством работы с вакуумной энергией, они могли на ярмарках показывать различные трюки и фокусы, веселить местных жителей и тем самым зарабатывать на жизнь. Переходя с ярмарки на ярмарку, из одной страны в другую, они постепенно привыкали к такой жизни. Так рождался передвижной цирк шапито. Постепенно все старые знания жрецов утрачивались и оставалось лишь то, что было нужно для выполнения изощренных фокусов и трюков: знание об энергии вакуума.
До недавнего времени существование вакуумной энергии академической наукой Запада отвергалось. Но в последние годы новые открытия астрономии заставляют пересмотреть старые убеждения. С 1998 года в астрономии появились новые понятия темной материи и темной энергии. Строго говоря, термин темная материя нельзя назвать совершенно новым. Незадолго до начала второй мировой войны американский астроном швейцарского происхождения Франц Цвикки заявил, что согласно его измерениям орбитальные скорости звезд в рукавах спиральных галактик заметно превышают значения, при которых звезды еще могут удержаться на своих орбитах.
Для решения данного парадокса Цвикки предположил, что в галактиках имеется гораздо больше вещества, чем ранее считалось, но большая часть вещества по каким-то причинам не излучает свет и потому невидима. В те времена от результатов швейцарского астронома предпочли отмахнуться и проблема темной материи была забыта.
В 1970х годах астроном Вера Рубин из Института им.Карнеги выполняла аналогичные измерения орбитальных скоростей в рукавах спиральных галактик и получила такой же результат. Вначале ей также не поверили, но через несколько лет появились новые доводы в пользу существования темной материи, полученные другими учеными. Постепенно идея темной материи становилась привычной. А в 1998 году сразу две группы астрономов — одна под руководством Саула Перльмуттера из Национальной Лаборатории им. Лоуренса и другая, возглавляемая Брайаном Шмидтом из Австралийского Национального Университета — обнаружили, что расширение Вселенной не замедляется, как считали ранее, а ускоряется. Этот факт они попытались объяснить с помощью концепции темной энергии, особой формы энергии, существующей повсюду в пространстве и формирующей силу расталкивания. Попутно им удалось измерить возраст Вселенной, он оказался равным 13.7 млр.лет. В настоящее время считают, что: 1) Вселенная состоит на 4% из обычной видимой материи, на 23% - из темной материи и на 73% - из темной энергии; 2) расширение Вселенной вначале происходило с замедлением, но через 8 млр.лет после Большого Взрыва замедление сменилось ускорением.
Следует отметить, что концепция темной энергии в кругу тех энергетиков, которые придерживались нетрадиционных взглядов, была известна задолго до того, как она возникла в астрономии. Только называлась она иначе: свободная, новая, эфирная, нуль-энергия и т. д. Общепринятого названия у этой энергии до сих пор нет.
В период между первой и второй мировыми войнами учеными был выполнен следующий эксперимент. На тонкий свинцовый экран направляли поток гамма-квантов, которые частично поглощались мишенью, частично отклонялись атомами мишени в стороны. Но иногда в редких случаях ученые фиксировали вылет из мишени пары электрон+позитрон. Появление электрона легко объяснялось его выбиванием из атома свинца. Но откуда брался позитрон? В составе атомов они отсутствуют. Результаты эксперимента объяснили тем, что гамма-квант внутри мишени распадается на электрон и позитрон. Хотя многие понимали, что такое объяснение сильно "хромает", но в те времена никто не мог предложить иную более приемлемую альтернативу. Так это объяснение и осталось в истории. Сегодня мы можем дать новое более правильное объяснение данному эксперименту: гамма-квант выбивает электрон-позитронную пару не из атома свинца, а из физического вакуума внутри свинцовой мишени.
Невозможно сказать, из чего именно состоит физвакуум. Да и вряд ли когда-нибудь мы сможем это сделать. Тот факт, что из вакуума выбиваются пары частица+античастица, еще не означает, что он именно из этих частиц состоит. Правильнее будет сказать так: мы не знаем, из чего состоит вакуум, но при своем распаде он дает осколки, которые мы воспринимаем в форме элементарных частиц. Поэтому чисто условно можно полагать, будто вакуум состоит из отдельных квантов, которые в свою очередь состоят из вложенных друг в друга электронов и позитронов (но обязательно условно, а не так, будто именно это реализуется в природе). Так как электрон и позитрон имеют разные заряды и спины, суммарный заряд и спин будет нулевым, и такой квант окажется визуально не наблюдаем, то есть его как бы не будет вообще. Однако нулевой заряд не означает нулевую массу. Масса остается и придает вакууму свойства инерционности и гравитационности, то есть вакуум может реагировать на гравитационное поле материальных тел и показывать эффекты инерции. Эти особенности могут быть причиной многих странных явлений, наблюдаемых сегодня в астрономии.
Пара электрон+позитрон удерживается в границах одного кванта некоторыми силами, которые имеют вполне определенное значение. Если к такому кванту приложить внешнюю силу, превышающую силу сцепления электрона с позитроном, квант распадется на осколки, легко регистрируемые в эксперименте. Визуально это будет проявляться как возникновение электрона и позитрона из пустоты. И подобные процессы действительно наблюдаются: это возникновение электрон-позитронной пары в очень сильных электрических полях с напряженностью выше некоторого критического уровня.
Например, возле ядра атома урана, состоящего из 92х протонов, существует очень сильное электрическое поле с напряженностью, близкой к критическому уровню. А если бы химики сумели создать химический элемент с двумя сотнями протонов в ядре атома, напряженность электрического поля возле такого суперядра стала бы настолько огромна, что вакуум начал бы взрывообразно распадаться на частицы и античастицы. И эта особая взрывообразная радиоактивность распада вакуума уничтожила бы созданный химиками суператом. Возможно, именно по этой причине не существует слишком тяжелых трансурановых элементов.
Может показаться странным данное утверждение о существовании пары вложенных друг в друга электронов и позитронов. Мы привыкли считать, что контакт частицы с античастицей ведет к аннигиляции и взаимному уничтожению. Но это не является экспериментально установленным фактом, как многие думают. Фактом является то, что мы перестаем видеть и фиксировать электрон с позитроном после их столкновения. А все остальное является попыткой объяснения данного факта. Возможны два разных объяснения: 1) электрон и позитрон взаимно уничтожаются и перестают существовать в прямом смысле слова (официальная точка зрения); 2) электрон и позитрон объединяются в единый квант и встраиваются в стуктуру физвакуума, становясь для нас невидимыми (альтернативная точка зрения).
Какая из двух альтернатив верна? Первая? А из каких опытов или теорий это следует? В реальности за всю историю земной науки не было поставлено ни одного опыта по выбору той или иной точки зрения. То, что наши ученые в подавляющем большинстве придерживаются первой альтернативы, обусловлено тем же стереотипом слепоты, которым в свое время страдал Галилей, размышляя о проблеме потенциальной энергии. Очень может быть, что истиной окажется вторая альтернатива и при контакте электрона с позитроном они просто встраиваются в стуктуру вакуума, исчезая из нашего наблюдения. А если затем мы подействуем на вакуум достаточно мощной силой (жесткое излучение, электрическое поле и т. д.), тогда мы снова расщепим вакуум на осколки и будем наблюдать возникающие элементарные частицы.
В мире существует только одна энергия — энергия физического вакуума. Все остальные формы энергии (в том числе и гравитационная) являются частным случаем вакуумной энергии. Поэтому получить формулы расчета энергии физвакуума можно путем анализа некоторых процессов с участием гравитационного поля.
Рассмотрим процесс сжатия космической газовой туманности под действием собственной гравитации. Когда под действием сил тяготения туманность сжимается, ее радиус уменьшается, а гравитационная энергия растет согласно уравнению (1.4.6). Согласно законам термодинамики температура газа увеличивается с его сжатием, следовательно, тепловая энергия туманности тоже растет. Если туманность имела некоторое первоначальное вращение, в процессе ее сжатия скорость вращения повышается, значит энергия вращения также увеличивается. Растут энергии электрического и магнитного полей (если туманность имела электрический заряд и магнитное поле), т. к. эти формы энергии обратно пропорциональны радиусу. Короче, все известные формы энергии при гравитационном сжатии газовой туманности увеличиваются. А что уменьшается? Раньше можно было бы сказать, что уменьшается потенциальная энергия. В реальности уменьшается вакуумная энергия того объема пространства, который занят гравитационным полем туманности.
Энергия вакуума должна быть больше энергии самого сильного гравитационного поля, иначе такое поле не сможет возникнуть. На сегодняшний день объектами с самым мощным гравитационным полем считаются черные дыры. Подставляя в уравнение гравитационной энергии (1.4.6) зависимость радиуса черной дыры от ее массы и скорости света, получим
(1.6.1)
При выводе этой формулы использовалась классическая формулировка закона тяготения Ньютона. Но в сильных гравитационных полях, характерных для черных дыр, закон тяготения выглядит иначе
(1.6.2)
Использование уточненной записи дает следующую формулу энергии гравитационного поля черной дыры
(1.6.3)
Очевидно, что вакуумная энергия пустого недеформированного пространства должна превосходить гравитационную энергию черной дыры в два раза. Почему именно в два раза? Когда образуется гравитационное поле его энергия растет за счет энергии физвакуума, а энергия самого вакуума в объеме, занятом полем, снижается. Этот процесс идет до тех пор, пока энергии поля и вакуума не сравняются. Дальнейший процесс усиления поля невозможен, т. к. энергия подобно воде не может перетекать от меньшего потенциала в область более высокого потенциала. И если энергии поля и вакуума в этот момент распределяются поровну, то в отсутствие поля энергия вакуума будет в два раза выше. И в итоге мы получаем
(1.6.4)
Если пространство свободно от гравитационных полей, его энергия рассчитывается по этой формуле. Когда в пространстве возникает гравитационное поле, оно деформирует структуру пространства и энергия поля растет за счет энергии вакуума ES, а сама энергия вакуума уменьшается. Этот процесс идет до тех пор, пока гравитационная энергия черной дыры не сравняется с энергией деформированного пространства.
Полученная формула косвенно подтверждает сделанные ранее предположения об аннигиляции частиц и античастиц как источнике образования пространства. При аннигиляции выделяется энергия Е = mc;. Энергия физвакуума рассчитывается по этой же формуле. Было бы странным, если такое совпадение окажется случайностью. Скорее всего, случайности нет: энергия аннигиляции являетя одновременно энергией физического вакуума.
Чтобы узнать плотность вакуумной энергии (ее содержание в единице объема), будем использовать тот же самый прием, который мы использовали ранее для расчета плотности гравитационной энергии. Для этого перепишем формулу (1.6.3) так, чтобы вместо массы черной дыры появился ее радиус
(1.6.5)
Если по какой-то причине радиус черной дыры изменится с r1 до r2, то ее гравитационная энергия изменится с Е1 до Е2. Разность этих энергий
(1.6.6)
Поделиться книгой: